物理模型與建模在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝教學(xué)中的應(yīng)用

齊曉慶

摘 要：模型是高中生物學(xué)課程內(nèi)容的重要組成部分，模型與建模是《高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提到的學(xué)科核心素養(yǎng)中理性思維的重要組成部分，建模能力是學(xué)生解決實際問題需要具備的重要能力。將物理模型構(gòu)建運(yùn)用于比較抽象的細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊的教學(xué)，能將生物學(xué)中抽象難懂的知識變得形象具體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與度。學(xué)生在合作交流與評價中學(xué)習(xí)，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生置身于探索科學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的探究式學(xué)習(xí)活動中，可培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力，形成良好的科學(xué)思維和正確的生命觀念，符合生物學(xué)核心素養(yǎng)的要求。

關(guān)鍵詞：物理模型;高中生物;細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝;建模

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出：“學(xué)生應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中逐步發(fā)展理性思維，如能夠基于生物學(xué)事實和證據(jù)運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會議題。”“能夠從不同的生命現(xiàn)象中，基于事實和證據(jù)，運(yùn)用歸納的方法概括出生物學(xué)規(guī)律，并在某一給定情境中，運(yùn)用生物學(xué)規(guī)律和原理，對可能的結(jié)果或發(fā)展趨勢做出預(yù)測或解釋，并能夠選擇文字、圖示或模型等方式進(jìn)行表達(dá)并闡明其內(nèi)涵。”了解建模等科學(xué)方法及其在科學(xué)研究中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和能力符合新標(biāo)準(zhǔn)的要求。中學(xué)生物學(xué)的教學(xué)應(yīng)努力將模型構(gòu)建應(yīng)用在教學(xué)之中，而物理模型構(gòu)建是模型構(gòu)建中較常用的方式，特別是在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝教學(xué)中對提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和學(xué)科素養(yǎng)尤為重要。

一、物理模型構(gòu)建與應(yīng)用的重要性

戴爾經(jīng)驗之塔表明，模型構(gòu)建貼合中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，通過動手操作，可以得到真切的經(jīng)驗，還可以總結(jié)運(yùn)用上升到內(nèi)化的抽象經(jīng)驗，并遷移運(yùn)用。物理模型是指以實物或圖畫形式直觀地表達(dá)認(rèn)識對象的特征，可使研究對象直觀化、簡約化，便于研究;又可簡略地描述研究成果，便于理解和傳播;還可用于推導(dǎo)，延伸觀察和實驗結(jié)論等。因此，應(yīng)合理利用物理模型，使抽象的內(nèi)容具體化，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，在教學(xué)上會讓真實對象更容易理解。戴爾經(jīng)驗之塔也可以看出，塔最底層的經(jīng)驗最具體，越往上升越抽象。教學(xué)就應(yīng)從具體經(jīng)驗下手，逐步上升到抽象，有效的學(xué)習(xí)途徑就要有足夠的具體經(jīng)驗。目前，在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊教學(xué)中最常用的做法就是讓學(xué)生強(qiáng)記各種細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與功能，沒有具體經(jīng)驗作支撐，學(xué)生對這些文字、圖片概念的理解只能是抽象的，不具體的。因此，要充分理解細(xì)胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其與功能相適應(yīng)，要從做的經(jīng)驗開始。物理模型構(gòu)建是做的經(jīng)驗，通過物理模型的構(gòu)建，再去理解概念、理解代謝場所與過程。

二、構(gòu)建物理模型在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝教學(xué)中的應(yīng)用

（一）細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)教學(xué)中物理模型的構(gòu)建與應(yīng)用

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)是人教版高中生物學(xué)教材必修一第三章《細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)》中的內(nèi)容。此內(nèi)容是學(xué)生認(rèn)知細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能的重要組成部分。學(xué)生在真正掌握細(xì)胞膜流動鑲嵌模型的具體內(nèi)容才能深入理解細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，為以后學(xué)習(xí)細(xì)胞的物質(zhì)輸入和輸出打下基礎(chǔ)。

在本內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，在各小組自主探究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，讓組內(nèi)學(xué)生合作模擬探究流動鑲嵌模型的科學(xué)探究史，并強(qiáng)調(diào)在構(gòu)建模型過程中要注意理解結(jié)構(gòu)與功能功能相適應(yīng)的生命觀念。

通過觀察課本插圖，以及學(xué)生構(gòu)建相應(yīng)的物理模型，使抽象問題具體化，將微觀的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)形象化，讓學(xué)生更容易理解生物膜的基本結(jié)構(gòu)。

（二）動物細(xì)胞和植物細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

翟中和院士曾說：“我確信哪怕是一個最簡單的細(xì)胞，也比迄今為止設(shè)計出的任何智能電腦更精巧！”筆者所執(zhí)教的學(xué)校是體藝特色學(xué)校，學(xué)生文化科基礎(chǔ)較薄弱，但他們在繪畫等方面比較投入。所以在細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝模塊的學(xué)習(xí)中，在完成理論知識學(xué)習(xí)后，馬上開展了細(xì)胞結(jié)構(gòu)模型的建模比賽。構(gòu)建模型時，科學(xué)性和準(zhǔn)確性應(yīng)是第一要素，所以在模型構(gòu)建活動之前再次引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)及其功能相關(guān)知識。激發(fā)學(xué)生繪制動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖的興趣。

細(xì)胞的亞顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜，學(xué)生在識圖、對比、記憶方面都比較困難，教學(xué)中就以激發(fā)學(xué)生的興趣和繪畫潛能為情境，創(chuàng)設(shè)突破口，有序開展教學(xué)，讓學(xué)生把死記硬背的生物學(xué)知識活化起來。引導(dǎo)學(xué)生討論以下問題：

動植物細(xì)胞在結(jié)構(gòu)上有什么主要區(qū)別？動植物細(xì)胞共有的細(xì)胞器，特有的細(xì)胞器。每種細(xì)胞器的形態(tài)與分布特點(diǎn)。

離開課本原圖，描繪或制作出動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖或模型。

經(jīng)過學(xué)生脫離課本描繪或制作動植物細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖、模型，以及學(xué)生的合作、交流、討論，培養(yǎng)了學(xué)生動手、思維、協(xié)作和表達(dá)能力，科學(xué)探究能力，形成科學(xué)思維與正確的生命觀念。

（三）構(gòu)建物理模型在細(xì)胞代謝教學(xué)中的應(yīng)用

各具結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)的葉綠體和線粒體是真核細(xì)胞中十分重要的兩種細(xì)胞器，并與對生命活動起關(guān)鍵性作用的兩大生理反應(yīng)——光合作用和細(xì)胞呼吸有著緊密的聯(lián)系，這些都是高考考查的重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容。兩者在結(jié)構(gòu)與功能上存在著異同和聯(lián)系，充分、準(zhǔn)確地把握上述兩種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)與功能，才能更好地理解光合作用與細(xì)胞呼吸兩大代謝活動的具體過程。

1. 引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建葉綠體和線粒體的物理模型

首先，引導(dǎo)學(xué)生通過對比，總結(jié)歸納等方式把葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)做詳細(xì)比較，如表1所示。

然后，讓學(xué)生根據(jù)比較內(nèi)容，再去繪畫葉綠體、線粒體的亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖。學(xué)生通過對比、畫圖等過程，可以容易把葉綠體和線粒體的結(jié)構(gòu)差異理清，透徹理解。為接下來學(xué)習(xí)的光合作用和細(xì)胞呼吸打下良好基礎(chǔ)。

2. 構(gòu)建光合作用與細(xì)胞呼吸關(guān)系物理模型

光合作用與呼吸作用作為地球上生命物質(zhì)最重要的兩大作用，其在自然界的重要意義和本身復(fù)雜的生理過程，很大程度上會引起學(xué)生的求知欲。但同時由于內(nèi)容非常抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也會因遇到困難而產(chǎn)生厭煩、畏懼。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，比較偏重于知識的傳授而忽略知識的過程性生成和聯(lián)系，習(xí)慣教師講，學(xué)生聽，較少考慮學(xué)生的主動參與，調(diào)動學(xué)生主動構(gòu)建、積極思維、自主生成。由于之前學(xué)生已經(jīng)有了細(xì)胞膜、葉綠體與線粒體等細(xì)胞結(jié)構(gòu)物理模型構(gòu)建的經(jīng)驗，所以在這兩大代謝的教學(xué)中，同樣可以用引導(dǎo)學(xué)生自主探究與合作建模的方式來主動學(xué)習(xí)。經(jīng)過自主探究—合作建?！?dú)w納總結(jié)—遷移活用等學(xué)習(xí)活動，直觀地把抽象內(nèi)容形象化，最終加以內(nèi)化。

要求學(xué)生比較分析光合作用和細(xì)胞呼吸過程中原料和產(chǎn)物中各物質(zhì)的變化，并將其變化過程繪制在一張圖上，研究兩個生理過程之間的變化關(guān)系，結(jié)果如下。

光合作用總反應(yīng)式：6CO2+12H2O→C6H12O6+6O2+6H2O

有氧呼吸總反應(yīng)式：C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+能量

通過兩個生理過程的結(jié)合建模，學(xué)生更加容易理解教學(xué)、考試的重難點(diǎn)問題“凈光合作用=總光合作用-呼吸作用”。

三、結(jié)束語

學(xué)生通過物理模型與建模等學(xué)習(xí)活動，對細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的生命現(xiàn)象以及生命活動的規(guī)律從感性認(rèn)識，通過抽象、概括等理性思維，進(jìn)行提煉和升華，形成生物學(xué)概念。最終，將多個概念進(jìn)一步加工，構(gòu)建物理模型形成自己的知識體系，建立對細(xì)胞結(jié)構(gòu)與代謝的整體認(rèn)識，即為生命觀念中的“結(jié)構(gòu)與功能觀”。在后續(xù)新的生物學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以根據(jù)已掌握的科學(xué)方法進(jìn)行觀察、解釋、抽象和建模，從而不斷發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)。

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（廣東省廣州市增城區(qū)教師發(fā)展中心，廣州510000）